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2.2 乘法公式的应用

条件概率、全概率公式与贝叶斯公式 · 高二
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 利用二项式定理展开式中的通项公式,解决系数、项数及特定项取值等问题的方法。

从哪来 本知识点建立在 3.4 组合数的计算 之上。二项式展开式的通项系数即为组合数 $C_n^r$,若无法熟练计算组合数,则无法确定展开式中各项的系数,进而无法应用乘法公式(此处指二项式乘法展开)解决具体问题。

为什么 二项式 $(a+b)^n$ 的展开本质是 $n$ 个因式 $(a+b)$ 相乘。根据乘法分配律,展开式中的每一项都是从 $n$ 个因式中各取一个字母相乘得到的。 要得到 $a^{n-r}b^r$ 这一项,必须从 $n$ 个因式中选出 $r$ 个取 $b$,其余 $n-r$ 个取 $a$。选法共有 $C_n^r$ 种。 因此,第 $r+1$ 项(通项)为 $T_{r+1} = C_n^r a^{n-r} b^r$。 所谓“应用”,就是根据题目给出的条件(如已知某项系数、已知某项值),建立关于 $n$ 或 $r$ 的方程,利用组合数性质求解。

适合:逻辑推理型、喜欢探究原理的学生** **讲法:从“选球”模型类比** 1. **情境引入
假设有 $n$ 个盒子,每个盒子里有红球(代表 $a$)和白球(代表 $b$)各一个。 2. 操作过程:从每个盒子中各取一个球。 3. 目标分析:如果我们想最终得到 $r$ 个白球和 $n-r$ 个红球,我们需要决定哪 $r$ 个盒子出白球。 4. 连接公式:选哪 $r$ 个盒子出白球,就是 $C_n^r$。这就是系数的来源。 5. 应用推导:如果题目说“含 $b^3$ 的项系数是 84”,意思就是 $C_n^3 = 84$。让学生直接解这个组合数方程,体会“系数即选法数”的逻辑。
适合:记忆型、偏好公式套用的学生** **讲法:通项公式“四要素”拆解法** 1. **死记通项
$T_{r+1} = C_n^r a^{n-r} b^r$。 2. 拆解四要素: * 位置:$r+1$ 是第几项(注意下标从0开始,所以是 $r+1$)。 * 系数:$C_n^r$(只看 $n$ 和 $r$)。 * $a$ 的指数:$n-r$(总和为 $n$)。 * $b$ 的指数:$r$(与 $C_n^r$ 的下标一致)。 3. 口诀强化:“下标同 $r$,指数和 $n$,项数加一”。 4. 应用训练:给出一系列 $(a+b)^n$ 的展开,让学生不展开,直接写出第 3 项、含 $b^2$ 的项。强调“看到 $b^r$ 就找 $C_n^r$”。
适合:视觉型、空间想象力强的学生** **讲法:杨辉三角与对角线观察法** 1. **画图
画出杨辉三角的前 6 行。 2. 标记:在 $(a+b)^n$ 的展开式中,用不同颜色标记 $a$ 的指数和 $b$ 的指数。 3. 观察规律: * 每一行的系数就是杨辉三角对应行的数字。 * $b$ 的指数从左到右依次是 $0, 1, 2, \dots, n$。 * $a$ 的指数从左到右依次是 $n, n-1, \dots, 0$。 4. 应用:当题目问“$b^k$ 的系数”时,让学生直接在杨辉三角第 $n$ 行找到第 $k+1$ 个数(因为 $b^0$ 是第 1 个)。通过视觉定位快速找到 $C_n^k$ 的位置,降低抽象符号的认知负荷。
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练一道
基础题
求 $(x+2)^5$ 展开式中,含 $x^3$ 的项的系数。
变式
已知 $(1+x)^n$ 的展开式中,第 3 项的系数是第 2 项系数的 3 倍,求 $n$ 的值。
看解答过程
1. 写出通项公式:$T_{r+1} = C_5^r x^{5-r} (2)^r$。 2. 确定 $r$ 的值:题目要求含 $x^3$ 的项,即 $x$ 的指数为 3。 由 $5-r = 3$,解得 $r = 2$。 3. 代入计算系数: 该项为 $T_{2+1} = C_5^2 x^3 (2)^2$。 系数部分为 $C_5^2 \times 2^2$。 $C_5^2 = \frac{5 \times 4}{2 \times 1} = 10$。 $2^2 = 4$。 系数 $= 10 \times 4 = 40$。 4. 结论:含 $x^3$ 的项的系数为 40。
试试手自己判
检测题
若 $(x+\frac{1}{x})^n$ 的展开式中,常数项是 15,求 $n$ 的值。
看答案和判分标准
答案:$n=6$
判对标准:
1. 通项正确:学生写出 $T_{r+1} = C_n^r x^{n-r} (x^{-1})^r = C_n^r x^{n-2r}$。
2. 指数方程正确:令 $n-2r = 0$,得出 $n=2r$。
3. 系数方程正确:代入 $r = n/2$,得到 $C_n^{n/2} = 15$。
4. 求解正确:
* 若 $n=4, r=2$,则 $C_4^2 = 6 \neq 15$。
* 若 $n=6, r=3$,则 $C_6^3 = \frac{6 \times 5 \times 4}{3 \times 2 \times 1} = 20 \neq 15$? 等等,这里需要仔细检查题目设计。

*修正检测题设计以确保唯一解和整数解*:
原题 $C_n^{n/2}=15$ 无整数解($C_4^2=6, C_6^3=20$)。
更换检测题:
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